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Measurement of (n,γ)-Rates of Light Neutron-Rich Nuclei for the r-Process Nucleosynthesis

Heine, Marcel :
Measurement of (n,γ)-Rates of Light Neutron-Rich Nuclei for the r-Process Nucleosynthesis.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Measurement of (n,γ)-Rates of Light Neutron-Rich Nuclei for the r-Process Nucleosynthesis
Language: English
Abstract:

Exclusive neutron capture cross sections of 17C and associated stellar reaction rates have been derived from Coulomb dissociation of 18C using the R3B-LAND setup at GSI in Darmstadt (Germany). The secondary beam of relativistic 18C at approximately 430 AMeV was generated by fragmentation of primary 40Ar on a beryllium target. In the FRagment Separator (FRS) the nuclei of interest were selected and subsequently guided to the experimental setup at Cave C. There the ions were excited electromagnetically in the electric field of lead target nuclei and the de-excitation process was detected with the R3B-LAND setup. All reaction products of the one-neutron evaporation channel including gammas from de-exciting states of fragments were measured and the invariant mass was reconstructed. A similar measurement of 17C Coulomb dissociation served as a benchmark to validate the accuracy of the present results with respect to previously published data. The measured relative energy spectra of 18C Coulomb dissociation to the ground state of 17C as well as the first and second excited state in 17C qualitatively match theoretical calculations of the Coulomb- dissociation process in an independent-particle model. In particular, the shapes of experimental data are reproduced. The measured spectroscopic factors were compared to an exclusive one-neutron knockout measurement on 18C, which is consistent within the respective uncertainties. The energy differential cross sections were converted into photo-absorption cross sections 18C(γ,n)17C with virtual-photon theory. Subsequently, exclusive neutron-capture cross sections 17C(n,γ)18C to the ground state were derived using the detailed-balance theorem. The neutron-capture cross sections were used to calculate stellar reaction rates, where the neutron velocities follow a Maxwell-Boltzmann distribution. The results were compared to thermonuclear reaction rates from a statistical Hauser-Feshbach model (HF). The uncertainty of the experimental results is at maximum around 60% at T9 = 1 GK for neutron capture in the ground state of 17C. This is accompanied by an uncertainty of a factor of ten in the HF calculation.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Mit dem R3B-LAND genannten experimentellen Aufbau an der GSI in Darmstadt wurden nach Coulomb Aufbruch vom 18C exklusive Neutroneinfang-Wirkungsquerschnitte von 17C ermittelt und daraus stellare Reaktionsraten berechnet. Der Sekundärstrahl mit relativistischen 18C Ionen mit Energien von ungefähr 430 AMeV wurde durch Fragmentation von 40Ar Primärstrahl in einem Beryllium Target erzeugt. Anschließend wurden die interessierenden Ionen im FRagment Separator (FRS) ausgewählt und zur Experimentierhalle Cave C geleitet. Dort wurden die 18C Ionen im elektrischen Feld der Bleikerne des Sekundärtargets angeregt. Der anschließende Abregungsprozeß wurde mit dem R3B-LAND Aufbau detektiert. Dabei wurden alle Reaktionsprodukte des ersten Neutronenseparationskanals, einschließlich Gammas aus Kernabregungen angeregter Fragmente, kinematisch bestimmt. Aus dieser Messung wurde die invariante Masse rekonstruiert. Im Vergleich einer Messung des Coulomb Aufbruch von 17C mit einer früheren Veröffentlichung wurde die Genauigkeit der hier präsentierten Auswertung bestätigt. Die Relativenergiespektren des (17C-n) Systems bei 18C Coulomb Aufbruch mit 17C im Grundzustand, sowie dem ersten und zweiten angeregten Zustand wurden experimentell ermittelt. Diese Spektren können mit theoretischer Berechnungen des elektromagnetischen Aufbruchprozesses in einem Modell nicht-wechselwirkender Teilchen reproduziert werden, wobei insbesondere die Form des Spektrums eindeutig abgebildet wird. Die gemessenen spektroskopischen Faktoren stimmen mit denen aus einer Veröffentlichung zu nuklearen Aufbruch von 18C überein. Aus den energieabhängigen Wirkungsquerschnittten wurden im Rahmen der Theorie virtueller Photonen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitte 18C(γ,n)17C berechnet. Daraus wurden im Reaktionsgleichgewicht exklusive Neutroneneinfangs-Wirkungsquerschnitte 17C(n,γ)18C in den Grundzustand von 18C ermittelt. Diese wurden verwendet um stellare Reaktionsraten zu errechnen, wobei die Neutronengeschwindigkeiten mit einer Maxwell-Boltzmann Verteilung beschrieben wurden. Die Resultate wurden mit thermonuklearen Reaktionsaten aus der theoretischen Beschreibung des Neutroneneinfangprozesses in einem statistischen Hauser-Feshbach Modell (HF) verglichen. Die Messungenauigkeit der experimentellen Ergebnisse ist im schlechtesten Fall 60% bei T9 = 1 GK. In der HF-Rechnung hingegen wird die Unsicherheit mit einen Faktor zehn beziffert.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
Date Deposited: 16 Jan 2015 07:40
Last Modified: 16 Jan 2015 07:40
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-43433
Referees: Aumann, Prof., Dr. Thomas and Pietralla, Prof. Dr. Norbert
Refereed: 9 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4343
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